林 森, 崔轉(zhuǎn)玲

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070; 2.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

基于微處理器的大電流模擬繼電器的設(shè)計(jì)*

林 森1, 崔轉(zhuǎn)玲2

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070; 2.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

由于受到傳統(tǒng)開關(guān)器件的限制，大電流開關(guān)電源存在功率小、效率低等問題，在對(duì)PWM軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析后，利用AT89C52單片機(jī)的中斷方式輸出頻率和占空比可調(diào)的PWM脈沖，控制大功率開關(guān)管GT40T101的通斷，從而實(shí)現(xiàn)以模擬繼電器的方式控制電路的通斷。通過搭建電路驗(yàn)證了PWM軟開關(guān)在控制大功率電源方面的優(yōu)越性，對(duì)于實(shí)際的電氣工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

單片機(jī)；IGBT；模擬繼電器；人機(jī)交互系統(tǒng)

0 引 言

目前開關(guān)電源技術(shù)主要朝著高效率、高性能、高可靠性的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的開關(guān)器件通斷速度慢并且在狀態(tài)變換的瞬間電流或電壓都會(huì)有急劇的變化，從而造成極大的損耗；因此如何提高開關(guān)速度降低開關(guān)損耗已成為一個(gè)亟待解決的問題[6]。大功率IGBT開關(guān)器件通斷速度快，導(dǎo)通電流大極好的符合了這一要求，PWM軟開關(guān)技術(shù)也為此提供了解決辦法[3]。筆者通過軟件的方法控制單片機(jī)使之輸出規(guī)定的PWM波，以電平的方式控制功率管GT40T101的通斷，以模擬繼電器的方式控制電路的接通和斷開。利用掃描鍵盤和1602液晶實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互界面，并通過軟件仿真進(jìn)行驗(yàn)證[5]。

1 電路工作原理簡(jiǎn)介

此研究的控制對(duì)象是一個(gè)阻感負(fù)載，使其按照一定的頻率接通或斷開。如圖1所示L1即為被控對(duì)象，R1為限流電阻，D1為續(xù)流二極管，C1為輸入端濾波電容，Q1為IGBT器件GT40T101，通過控制柵極電流實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通或關(guān)斷。編程使單片機(jī)輸出特定的PWM脈沖控制功率管的導(dǎo)通或關(guān)斷從而實(shí)現(xiàn)電路的通斷[2]。

圖1 電路原理圖

GT40T101是東芝出品的N溝道型絕緣柵雙極性晶體管大電流功率開關(guān)，其開啟電壓UGE在3.0 V～6.0 V，上升時(shí)間0.6 μs，開通時(shí)間為0.7 μs，下降時(shí)間0.2 μs，關(guān)段時(shí)間為0.5 μs。故該晶體管可以滿足電壓和通斷時(shí)間的要求。另外單片機(jī)I/O口輸出的電壓約5 V，故通過穩(wěn)壓電路可以滿足該管的開啟電壓的要求[1]。GT40T101的最大集電極電流包括額定直流電流IC為40 A，和1 ms脈寬電流80A，故該晶體管可以滿足設(shè)計(jì)中大電流(50 A)的要求[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由主控芯片AT89C52單片機(jī)，1602液晶顯示器，按鍵以及部分外圍電路組成，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件圖

2.1 整體硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)和外圍擴(kuò)展模塊的接口電路圖如圖3所示。

圖3 硬件電路接口原理圖

AT89C52通過P0口與鍵盤組成掃描鍵盤，用以在液晶上顯示0～9十個(gè)數(shù)字；通過P2口連接液晶顯示器的數(shù)據(jù)口，鍵盤輸入的數(shù)據(jù)可以通過此口傳送給1602。另有兩個(gè)獨(dú)立鍵盤，采用外部中斷的方式分別執(zhí)行確定和取消功能74HC245是一個(gè)增強(qiáng)I/O驅(qū)動(dòng)能力的芯片，設(shè)計(jì)中將芯片的片選控制口OE始終接地保持片選有效；芯片的數(shù)據(jù)傳輸方向控制口DIR接高電平，其數(shù)據(jù)從A端向B段傳送。

2.2 鍵盤硬件設(shè)計(jì)

如圖4所示，按鍵0～9采用的是掃描式鍵盤。0～3鍵一端接P0.0，4～7鍵一端接P0.1，另一端分別接接P0.4，P0.5，P0.6，P0.7；8～9鍵一端接P0.2，另一端分別接接P0.4，P0.5；獨(dú)立按鍵分別接外部中斷0和外部中斷1；掃描時(shí)逐次將P0口的低四位置零，檢測(cè)高四位的電平狀態(tài)，從而確定按鍵按下。

2.3 1602液晶硬件設(shè)計(jì)

如圖5所示，1602液晶顯示器與單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)芯片74HC245連接，并由P1口的低三位提供控制線，P1.0是數(shù)據(jù)命令選擇口；P1.1是讀寫控制口；P1.2是使能信號(hào)控制口。具體組合如表1所列。

圖4 鍵盤接口原理圖

圖5 1602液晶接口原理圖

功能寫命令讀數(shù)據(jù)讀狀態(tài)寫數(shù)據(jù)RS0101RW0110E↑11↑

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括主程序、中斷定時(shí)程序、液晶顯示程序、鍵盤掃描程序。主程序包括1602液晶初始化程序、掃描鍵盤編碼程序、數(shù)據(jù)傳遞程序。采用模塊化的方式編寫程序使得程序具有較高的安全性和可調(diào)用行，流程圖如圖6所示。

3.1 1602液晶程序

該段程序的作用是為液晶進(jìn)行顯示做好準(zhǔn)備。通過單片機(jī)的P2數(shù)據(jù)口向1602寫入若干條命令。具體程序如下：

//初始化

void init_lcd1602()

{e=0;

rw=0;

write_com(0x0f);//開顯示，光標(biāo)閃爍

write_com(0x38);//雙行顯示，8位數(shù)據(jù)

write_com(0x01);//顯示清屏

write_com(0x0c);//開顯示，光標(biāo)不閃

write_com(0x06);//指針自動(dòng)加一，不移屏

write_com(0x80); }//設(shè)置初始化數(shù)據(jù)指針

通過上述程序1602進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)主程序執(zhí)行寫數(shù)據(jù)指令之后液晶就會(huì)在指定位置顯示指定的字符，或調(diào)用液晶內(nèi)部以固化的RAM字符。

圖6 程序作流程圖

1602的寫命令可以由下面的子程序?qū)崿F(xiàn)：

//寫指令或?qū)憯?shù)據(jù)

void write(uchar i,bit j)

{

read_busy();

P2=i;//待寫入數(shù)據(jù)

RS=j;//其中j=0,寫指令；j=1，寫數(shù)據(jù)

RW=0;//寫操作

EN=1;//提供高脈沖

EN=0;}

在程序的后續(xù)操作中，不論是讀寫數(shù)據(jù)還是命令都需要對(duì)1602進(jìn)行判忙操作，即判斷液晶是否處在空閑狀態(tài)，如果沒有在空閑狀態(tài)，對(duì)1602的讀寫操作均為無效。下面就是判忙子程序。

//讀寫允許判斷函數(shù)

void read_busy()

{

P2=0xff;

RS=0;

RW=1;

EN=1;//輸出八位狀態(tài)字

while(P2&0x80);

//P2口最高位位若不為0，停在此處，讀寫禁止；若為0，讀寫允許，進(jìn)入下一步

EN=0;}

通過上面的子程序，即可對(duì)1602做到準(zhǔn)確有效的操作。

3.2 鍵盤掃面程序

此設(shè)計(jì)里的所有按鍵都是一端接P0口的一個(gè)低四位，另一端接P0口里的一個(gè)高四位。工作時(shí)高四位為高電平，低四位逐位拉低，通過檢測(cè)高四位的電平狀態(tài)從而判斷出是哪一個(gè)鍵按下。不同的P0口狀態(tài)代表了不同的數(shù)據(jù)，并對(duì)應(yīng)不同的顯示數(shù)據(jù)。具體的I/O狀態(tài)與數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表

根據(jù)上表的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以編寫出鍵盤掃描子程序。具體程序如下：

//鍵盤掃描函數(shù)

unsigned char KeyScan(void)

{unsigned char cord_h,cord_l;

//行列值中間變量

KeyPort=0xf0;//行線輸出全為0

cord_h=KeyPort&0xf0;//讀入列線值

if(cord_h!=0xf0)//先檢測(cè)有無按鍵按下

{DelayMs(10); //去抖

if((KeyPort&0xf0)!=0xf0)

{cord_h=KeyPort&0xf0;//讀入列線值

KeyPort=cord_h|0x0f;//輸出當(dāng)前列線值

cord_l=KeyPort&0x0f;//讀入行線值

while((KeyPort&0x0f)!=0x0f);

//等待松開并輸出

return(cord_h+cord_l);//鍵盤最后組合碼值}

}

return(0xff); }//返回該值

3.3 中斷定時(shí)程序

此設(shè)計(jì)中頻率在1～400Hz，占空比在1%～100%之間連續(xù)可調(diào)。經(jīng)過計(jì)算可知輸出高電平時(shí)間最短為25 μs，最長(zhǎng)為1 s。

設(shè)計(jì)中采用中斷的方式嚴(yán)格準(zhǔn)確的定時(shí)25 μs，通過計(jì)數(shù)的方式準(zhǔn)確的使得I/O口輸出規(guī)定的高電平時(shí)間。

設(shè)計(jì)中采用定時(shí)器1，利用方式2即8位自動(dòng)數(shù)據(jù)重裝方式。計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)格式采用長(zhǎng)整型數(shù)據(jù)，以防止數(shù)據(jù)溢出。

//定時(shí)器1設(shè)置

EA=1; //中斷總控制位，允許中斷

ET1=1; //定時(shí)器1中斷允許

TMOD=0x20;//定時(shí)器1，軟啟動(dòng)，方式2

TH1=0xFF; //自動(dòng)重裝的數(shù)據(jù)(1us中斷)

TL1=0xFF;

TR1=1; //啟動(dòng)定時(shí)器1

另外在中斷子程序中需要給定時(shí)器1中自動(dòng)重裝數(shù)據(jù)，為了防止中斷操作影響時(shí)序，因此中斷子程序中的命令不宜過長(zhǎng)。具體如下。

void tim1() interrupt 1

{TH1=0xFF;

TL1=0xFF;

count1++;}

通過以上程序便可完成設(shè)計(jì)的目的，即通過I/O口便可輸出頻率占空比可調(diào)的PWM脈沖。通過軟件仿真可以得到合適的波形，效果良好。

4 軟件仿真

利用Proteus7.5搭建最小系統(tǒng)仿真電路。仿真驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表3所列。

表3 仿真數(shù)據(jù)

圖7中四張圖縱向的每一小格代表1V，橫向的每一小格代表5 ms(20 Hz)或1 ms(100 Hz)。從上面圖3或圖4可以看出，100 Hz時(shí)下降沿或上升沿有一定的延時(shí)，這是因?yàn)轭l率越高導(dǎo)致周期越短，由于單片機(jī)的運(yùn)算速度有限才導(dǎo)致了有所延遲，所以要想消除延遲應(yīng)提高處理器的運(yùn)算速度。

圖7 不同頻率和占空比時(shí)輸出的波形圖

5 結(jié) 語

針對(duì)系統(tǒng)的控制對(duì)象，設(shè)計(jì)出合理的可為電源提供開關(guān)信號(hào)的單片機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的交互式人機(jī)系統(tǒng)，可方便的對(duì)電源進(jìn)行控制，通過改進(jìn)將來可以很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

[1] 林 云,管 春.電力電子技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社,2012.

[2] 李朝春,劉艷玲.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2013.

[3] 蔡宣三,倪本來.開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.

[4] 羅廷芳，孟志強(qiáng).基于IGBT的固態(tài)高壓脈沖電源的研究與設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(5):113-115.

[5] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].第四版.北京：清華大學(xué)出版社,2010.

[6] 賀巖斌，王志鵬，曾旭初.高功率脈沖電源的研制[J].電力電子技術(shù)，2011，45(5):78-80.

Design of High Current Analogue Relay Based on SCM

LIN Sen1, CUI Zhuan-ling2

(1.SchoolofMechatronicEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070,China;2.SchoolofAutomation&ElectricalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070,China)

Due to the limitation of the traditional switch devices, high current switching power supply has small power, low efficiency. After analyzing the PWM soft switching technology, the adjustable frequency and duty ratio of PWM pulse outputs by using AT89C52 microcontroller interrupt, switch or off the large power GT40T101 are controlled, then the control of on-off of the circuit is realized by simulating a relay. By building the circuit，the superiority of PWM in the control of high power soft switching power supply is verified, which has a certain reference value for the practical application of electrical engineering.

SCM；IGBT；analogue relay；human-computer interaction systems

2014-01-13

林 森(1988-)，男，陜西渭南人，在讀碩士，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)控制。

TP23

A

1007-4414(2014)02-0174-04